多地布局第三代半導體，光電車網全方位重點需求

2月27日，第三代半導體碳化硅材料生產基地在深圳市寶安區啟用。該基地由深圳市重投天科半導體有限公司（以下簡稱“重投天科”）建設運營，預計今年襯底和外延產能達25萬片，將進一步補強深圳第三代半導體“虛擬全產業鏈（VIDM）”，助力廣東打造國家集成電路產業發展“第三極”。

芯片的生產流程可分解為“設計、制造、封裝測試”，襯底和外延材料是芯片制造環節的核心基礎，位于整套工藝的最上游端。當前，廣東正聚力打造中國集成電路第三極，深圳則在國內率先提出了第三代半導體“虛擬全產業鏈（VIDM）”發展模式。位于寶安區石巖街道的深圳市第三代半導體材料產業園，由重投天科建設運營，總投資32.7億元，重點布局6英寸碳化硅單晶襯底和外延生產線，是廣東省和深圳市重點項目、深圳全球招商大會重點簽約項目。

以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導體材料，是繼硅以后最有行業前景的半導體材料之一，主要應用于5G通訊、新能源汽車、電力電子以及大功率轉換領域等戰略性新興產業。國際知名市場調研機構Yole報告顯示，重投天科的投資方之一，北京天科合達半導體股份有限公司（以下簡稱“天科合達”）是第三代半導體材料的頭部企業，2022年導電型碳化硅襯底營收占全球總營收的12.8%，較2021年大幅提升，評估認為該公司2022年國內市占率為60%左右。

據悉，隨著該項目投產、滿產，將有效解決下游客戶在軌道交通、新能源汽車、分布式新能源、智能電網、高端電源、5G通訊、人工智能等重點領域的碳化硅器件產業鏈發展的原材料基礎保障和供應瓶頸。

未來，重投天科還將設立大尺寸晶體生長和外延研發中心，并與本地重點實驗室在儀器設備共享及材料領域開展合作，與重點裝備制造企業加強晶體加工領域的技術創新合作，聯動下游龍頭企業在車規器件、模組研發等工作上聯合創新，并助力深圳提升8英寸襯底平臺領域研發及產業化制造技術水平。


第三代半導體應用前景廣闊

各地加碼第三代半導體投資，根本原因在于其應用前景廣闊。

以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)兩大主流為例：

碳化硅(SiC)器件下游應用領域包括電動汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、5G通信等，其中新能源汽車為最大終端應用市場。高轉換效率和高功率帶來整車系統成本下降，特斯拉、比亞迪、小鵬等車企相繼使用SiC MOSFET。Yole預計2027年全球導電型碳化硅功率器件市場規模有望達63億美元，其中電動汽車下游領域占比達80%。

供給端，目前全球碳化硅市場呈美國、歐洲、日本三足鼎立的格局，海外龍頭主導出貨量，全球有效產能仍不足。據浙商證券測算，2025年全球碳化硅襯底市場需求達188.4億元，碳化硅器件市場需求達627.8億元。2025年之前行業仍呈現供給不足的局面。

氮化鎵(GaN)器件也是支撐“新基建”建設的關鍵核心部件，在5G基站、新能源充電樁等新基建代表中均有所應用。隨著國家政策的推動和市場的需求，GaN器件在5G基站、數據中心有望集中放量，穩定增長。同時，在太陽能逆變器、風力發電、新能源汽車等方面，GaN也將隨著技術不斷進步陸續“上車”。

2021年我國5G基站用GaN射頻規模36.8億元。2023年以后，毫米波基站部署將成為拉動市場的主要力量，帶動國內GaN微波射頻器件市場規模成倍數增長。在“快充”場景下，根據Yole預測，2020年全球GaN功率市場規模約為4600萬美元，預計2026年可達11億美元，2020-2026年CAGR有望達到70%。

除此以外，2023年，伴隨ChatGPT風靡全球，AIGC有望加速推動其下游業務，對上游算力支撐提出巨大需求，數據中心放量確定性極強。GaN功率半導體主要用于數據中心的PSU電源供應單元，與傳統Si相比更具優勢。

三條“充滿挑戰但必須要走的路”

芯聯集成總經理趙奇日前做客《滬市匯·硬科硬客》第二期節目“換道超車第三代半導體”時表示，國內第三代半導體產業鏈發展過程中，面臨著三條“充滿挑戰、但必須要走的路”。

趙奇認為，必須認清，性價比優秀的硅基IGBT產業是碳化硅的強力競爭對手，要將碳化硅的單器件成本控制在硅基IGBT的2.5倍，才有可能實現碳化硅的大規模商業化應用。應當從提升良率、迭代溝槽MOSFET、升級8英寸襯底三個方向來改進。

“中國第三代半導體產業發展的‘春秋時代’已經結束了，2024年將會進入‘戰國時代’，形成‘戰國七雄’，期間一定會伴隨激烈競爭。”趙奇預測，2024年中國也可能迎來碳化硅爆發式的增長。

過去兩三年，國內第三代半導體整個產業鏈都處在快速發展的進程中。

“本土供需缺口正在不斷縮小。”趙奇指出，在以襯底和外延為主的材料端，國內廠家不僅能夠保證本土供應，并且已經開始出口，比如碳化硅二極管、氮化鎵器件都已實現本土化生產；最難的可以用于車載主驅逆變器的碳化硅MOSFET器件和模塊，已經在國內實現量產；2023年下半年，用于主驅逆變的國內芯片，也已經開始實際使用。

“由此可見，第三代半導體進口替代方面，國內產業鏈各個方向都已實現突破，后面就是數量的逐漸擴大了。”趙奇表示。

當然，機遇與挑戰并存。趙奇指出，國內第三代半導體行業發展過程中，在8英寸碳化硅器件產線建設、MOSFET器件大規模量產、國外主流廠商殺向國內市場爭奪份額三個方面還面臨著挑戰。

首先，國外碳化硅主流廠商已開始積極布局8英寸的襯底、外延和器件生產能力，國內目前還在發展6英寸，8英寸只在規劃和研發狀態中。“目前來看，國內碳化硅往8英寸切換的速度，確實比國外稍微落后了一些。”趙奇表示。

究其原因，可能是一個“先有雞還是先有蛋”的問題。

“襯底廠家可能會覺得，國內一條8英寸的碳化硅產線都沒有，我為什么要大力去做8英寸襯底？而我們器件廠家也會考慮，國內8英寸襯底還不是太成熟，我拿什么來Run這個線？”趙奇如是解釋。

芯聯集成希望能打破這個僵局。

芯聯集成是一家聚焦MEMS傳感器和功率半導體器件的特色工藝晶圓代工企業。從2023年起，芯聯集成開始建設國內第一條8英寸碳化硅器件產線，旨在用此來帶動國內8英寸襯底、外延、器件生產的整個鏈條，趕上國外主流廠商們的布局。

“無論是襯底，還是器件制造，從6英寸到8英寸，還有很多技術改進和突破要完成，這是一條充滿挑戰但必須要走的路。”趙奇坦言。

第二個挑戰是，盡管國內襯底和外延在規模上已相對成熟，但碳化硅器件批量生產、尤其是用于主驅逆變的國內芯片才剛起步，規模對比國外主流廠商還有所差距。

“從開始量產到大規模量產的過程中，生產端還有很多需要不斷去優化的方向。當我們襯底、外延和芯片都能夠實現大規模量產了，才能說我們整個產業鏈條是成熟和完整的。”趙奇表示。

第三個挑戰關乎國外主流廠商對于中國市場的覬覦。

“中國新能源汽車以及風、光、儲的終端已處于全球第一梯隊，過去一兩年，國外碳化硅主流廠商紛紛在國內布局產能。”趙奇指出，他們的目的很明確，就是要搶奪中國的碳化硅市場。

“國外這些比我們走得早的碳化硅廠家‘殺’到門口來，就需要我們更加努力在技術領先、技術創新、成本優勢方面下功夫。你要有性價比更好的產品去跟他們競爭。”趙奇認為這對處在成長期的國內產業鏈而言也是嚴峻的挑戰。

MOCVD設備有機會爆發

金屬有機化學氣相沉積（或MOCVD）設備市場是外延設備市場的一個子細分市場，過去十年來，它通常只占整個晶圓制造設備（或WFE（ wafer fabrication equipment））市場的個位數百分比。雖然MOCVD并不是一項廣泛使用的技術，但它確實有其特定的用途。MOCVD工具使用精確控制的惰性氣體在晶圓上制造原子薄層，長期以來一直用于制造LED和其他光電子設備。事實上，現有的GaN和SiC的半導體材料生產商在大約10-15年前（2009-2012年）享受到了大規模投資LED生產能力的繁榮，然后在2016-2018年又享受到了另一波繁榮，因為公司投資生產與3D感測相關的VCSEL和其他組件（主要是為了滿足蘋果公司手機的需求）。

由于基于GaN和SiC的半導體材料能夠更好地滿足電動汽車逆變器、光伏電池逆變器、工業電源、服務器和電信電源等領域的全新高功率應用的特殊要求，市場需求蓬勃發展，那些具有GaN和SiC的新型專用高功率半導體的生產能力的公司迎來了新一輪的繁榮。盡管SiC當前備受矚目，因為它可以用于汽車電動化，但GaN（適用于高功率和高頻RF應用）同樣具有巨大的市場，，并且存在更多專業應用領域中的其他機遇，例如鎵砷(GaAs)、磷化銦(InP)和氮化鎵-碳化硅(GaN-on-SiC)。

我們預計未來幾年碳化硅（SiC）市場份額將會有顯著增長。隨著200mm晶圓的推廣，市場上出現了新的生產工具銷售機會，例如G10-SiC系統能夠處理150mm和200mm兩種尺寸的晶圓，但關鍵在于它是一個多批次處理工具，可以處理多達九個150mm晶圓和六個200mm晶圓。

我們預計至少未來三年的強勁資本支出投資于金屬有機化學氣相沉積（或稱MOCVD）設備；而接下來發生的事情是看漲和看跌之間爭論的一個要點；Infineon，ON Semi，STMicro和Wolfspeed都在雄心勃勃地推進資本支出擴張計劃，但這種資本支出不會一直持續下去——最終它們將不再追趕需求，而是將有過剩的產能；不過在這一點上，預計金屬有機化學氣相沉積（或稱MOCVD）設備廠商將從電力/射頻客戶那里得到補充。